DE102019209248A1

DE102019209248A1 - Pistons for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102019209248A1
Application number: DE102019209248.9A
Authority: DE
Inventors: Julian Zilker; Michael Scherer; Olga Seller; Sven Ungermann; Ralf Meske
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-12-31
Also published as: WO2020260466A1; EP3990767A1; CN113748262A; US20220252019A1; US12000355B2; CN113748262B; JP2022538240A; KR20220022127A

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist Schaftwandabschnitte (18) zur Abstützung in einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse, und zumindest eine sich daran in Umfangsrichtung anschließende Bodenabstützung (20) auf, die zumindest eine Kontur aufweist, die einen Abschnitt einer Helix bildet.A piston (10) for an internal combustion engine has skirt wall sections (18) for support in a cylinder or a cylinder liner, and at least one bottom support (20) adjoining it in the circumferential direction, which has at least one contour that forms a section of a helix.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.The invention relates to a piston for an internal combustion engine.

Kolben für Verbrennungsmotoren sind insbesondere im Fall von Ottomotoren mit hoher spezifischer Leistung, die in der Größenordnung von 100 kW/l liegen kann, extrem hohen Belastungen ausgesetzt. Dies liegt zum einen an hohen Zünddrücken, die im Bereich von 120 bar liegen können, sowie den im Brennraum herrschenden äußerst hohen Temperaturen. Besonders hohe Belastungen treten aufgrund der Kinematik des Kurbeltriebs auf der Druckseite des Kolbens, und hier insbesondere in der untersten Ringnut des Kolbens auf. Insbesondere in einem Lastfall, der als „maximale Seitenkraft“ beschrieben werden kann, treten in der untersten Ringnut des Kolbens auf der Druckseite hohe Zugspannungen auf, da der Kolbenschaft nachgiebiger auf Seitenkräfte reagiert als der Kolbenboden, der das Ringfeld aufweist. Es ist darüber hinaus erforderlich, um die Belastung der Kolbennabe und anderer Motorbauteil infolge von Massenkräften gering zu halten, wo irgend möglich, Gewicht einzusparen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass radial außerhalb des Kolbenbolzens in dessen Achsrichtung sogenannte Taschen ausgebildet werden. Mit anderen Worten sind Verbindungswände, welche die tragenden Schaftwandabschnitte verbinden, radial nach innen zurückgesetzt.Pistons for internal combustion engines are exposed to extremely high loads, especially in the case of Otto engines with a high specific power, which can be in the order of magnitude of 100 kW / l. This is due on the one hand to high ignition pressures, which can be in the region of 120 bar, and the extremely high temperatures prevailing in the combustion chamber. Due to the kinematics of the crank drive, particularly high loads occur on the pressure side of the piston, and here in particular in the lowest annular groove of the piston. Particularly in a load case that can be described as “maximum side force”, high tensile stresses occur in the lowest ring groove of the piston on the pressure side, since the piston skirt reacts more flexibly to side forces than the piston crown, which has the ring zone. It is also necessary, in order to keep the load on the piston hub and other engine components as a result of inertia forces low, wherever possible to save weight. This is achieved, for example, in that so-called pockets are formed radially outside the piston pin in its axial direction. In other words, connecting walls which connect the supporting shaft wall sections are set back radially inward.

Stand der TechnikState of the art

Zahlreiche vorbenutzte Kolben weisen ein derartiges Design auf. Häufig ist hierbei eine Verrundung zwischen Schaftwandabschnitt und Tasche ausgebildet.Many previously used pistons have such a design. Often a rounding is formed between the shaft wall section and the pocket.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ohne nennenswerte Erhöhung des Kolbengewichts die Betriebsfestigkeit, insbesondere in der untersten Nut des Kolbens sicherzustellen, indem insbesondere hier die maximal auftretenden Spannungen reduziert werden.Against this background, the invention is based on the object of ensuring the operational strength, in particular in the lowermost groove of the piston, without any significant increase in the piston weight, by reducing the maximum stresses that occur here in particular.

Dies wird durch den Kolben gemäß Patentanspruch 1 erreicht.This is achieved by the piston according to claim 1.

Demzufolge weist dieser Schaftwandabschnitte auf, die der Abstützung in einem Zylinder oder in einer Zylinderlaufbuchse dienen, an die sich in Umfangsrichtung zum Kolbenboden hin sogenannte Bodenabstützungen anschließen, die zumindest eine Kontur aufweisen, die einen Abschnitt einer Helix bildet. Mit anderen Worten folgt der Abstand zwischen der Unterkante, mit anderen Worten dem vom Kolbenboden abgewandten Ende der Bodenabstützung, zu der untersten Ringnut einer an einem Zylinder abgerollten Steigung. Diese Unterkante kann über im Wesentlichen die gesamte radiale Tiefe der Bodenabstützung gleich sein. Mit anderen Worten, radial auf die Bodenabstützung geblickt erscheint diese als Linie. Die beschriebene Kontur kann jedoch nur radial außen oder innen an der Bodenabstützung vorliegen, und die untere Begrenzungsfläche der Bodenabstützung kann sich von dieser Kante absenken oder ansteigen. In kartesischen Koordinaten kann die Helix wie folgt ausgedrückt werden: $\vec{x} (t) = (\begin{matrix} r c o s (t) \\ r s i n (t) \\ \frac{h}{2 π} t \end{matrix})$

Accordingly, this has skirt wall sections that serve to support in a cylinder or in a cylinder liner, to which so-called base supports adjoin in the circumferential direction towards the piston crown, which have at least one contour that forms a section of a helix. In other words, the distance between the lower edge, in other words the end of the base support facing away from the piston head, to the lowermost annular groove follows a slope unrolled on a cylinder. This lower edge can be the same over essentially the entire radial depth of the floor support. In other words, when looking radially at the floor support, it appears as a line. The contour described can, however, only be present radially on the outside or on the inside of the floor support, and the lower boundary surface of the floor support can rise or fall from this edge. In Cartesian coordinates, the helix can be expressed as follows:

\vec{x} (t) = (\begin{matrix} r c O s (t) \\ r s i n (t) \\ \frac{H}{2 π} t \end{matrix})

Dabei ist r der Radius des Zylinders, h die Ganghöhe und t der Kurvenparameter. Die Steigung k beträgt: $k = \frac{h}{2 π r}$

Here r is the radius of the cylinder, h is the pitch and t is the curve parameter. The slope k is:

k = \frac{H}{2 π r}

Wie sich bei ersten Simulationen herausgestellt hat, können dadurch die Beanspruchungen in der untersten Kolbenringnut erheblich verringert werden. Im Vergleich zu dem bisherigen Design kann die maximale Hauptspannung um etwa 30 MPa gesenkt werden. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Betriebsfestigkeit um etwa 25%. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Gewichtszunahme bei einem typischen Kolben lediglich etwa 2 g beträgt. Somit können mittels der Erfindung die Ziele, einen Kolben vergleichsweise leicht und gleichzeitig fest zu bauen, in vorteilhafter Weise kombiniert erreicht werden. Die Bodenabstützung sorgt somit für eine vorteilhafte Abstützung des Kolbenbodens.As the first simulations have shown, this can significantly reduce the stresses in the lowest piston ring groove. Compared to the previous design, the maximum principal stress can be reduced by about 30 MPa. This results in an improvement in the fatigue strength of around 25%. In addition, it has been shown that the weight gain in a typical piston is only about 2 g. Thus, by means of the invention, the objectives of making a piston comparatively light and at the same time rigid can be achieved in an advantageous manner. The base support thus provides an advantageous support for the piston base.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.Advantageous developments of the piston according to the invention are described in the further claims.

Wenngleich die beschriebene Gestaltung auf beiden Seiten eines Kolbens vorgesehen sein kann, wird aufgrund der oben beschriebenen Belastungssituation bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Kontur zumindest auf der Druckseite des Kolbens vorgesehen ist.Although the design described can be provided on both sides of a piston, due to the load situation described above, it is preferred that the contour according to the invention is provided at least on the pressure side of the piston.

Ferner wird bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Kontur zu beiden Seiten des Schaftwandabschnitts vorgesehen ist, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile umfangreich genutzt werden können.It is also preferred that the contour according to the invention is provided on both sides of the shaft wall section, so that the advantages according to the invention can be used extensively.

Dies gilt gleichermaßen für die bevorzugte Maßnahme, wonach sich zumindest eine Bodenabstützung von einem Schaftwandabschnitt bis in den Bereich einer Bolzennabenbegrenzung erstreckt.This also applies to the preferred measure, according to which at least one bottom support extends from a shaft wall section into the area of a pin hub limitation.

Bei ersten Simulationen hat sich für die Steigung der erfindungsgemäßen Helix herausgestellt, dass diese mindestens 1:10 und höchstens 1:1 betragen sollte. Derzeit wird ein Wert von etwa 1:2 bevorzugt.Initial simulations have shown that the slope of the helix according to the invention should be at least 1:10 and at most 1: 1. A value of about 1: 2 is currently preferred.

Die erfindungsgemäß gestaltete Bodenabstützung weist eine in radialer Richtung gemessene Tiefe auf, für die bevorzugt wird, dass sie in etwa gleich groß ist, wie die in der gleichen Richtung gemessene Tiefe der untersten Ringnut des Kolbens. Hierdurch kann besonders zuverlässig eine spannungsarme Abstützung des durch die Kolbenringnut geschwächten Bereichs erreicht werden. Die beschriebene Tiefe kann bis zu zweimal der Tiefe der Kolbenringnut betragen, und bei einem üblichen Ottokolben kann die beschriebene Tiefe etwa 6 mm betragen.The bottom support designed according to the invention has a depth measured in the radial direction, for which it is preferred that it is approximately the same size as the depth of the lowest annular groove of the piston measured in the same direction. In this way, a low-stress support of the area weakened by the piston ring groove can be achieved particularly reliably. The depth described can be up to twice the depth of the piston ring groove, and in the case of a conventional Otto piston, the depth described can be approximately 6 mm.

Radial innerhalb der beschriebenen Bodenabstützungen befinden sich die die Schaftwandabschnitte verbindenden Verbindungswände, und es wird im Hinblick auf die Gewichtseinsparung bevorzugt, dass hierzu ein Abstand vorliegt, dass mit anderen Worten zumindest eine Bodenabstützung in radialer Richtung von einer Verbindungswand beabstandet ist. Somit verbleibt hier die für die Gewichtseinsparung günstige „Tasche“.The connecting walls connecting the shaft wall sections are located radially within the described floor supports, and with a view to saving weight it is preferred that there is a distance therefrom, in other words, at least one floor support is spaced apart in the radial direction from a connecting wall. This leaves the “bag” that is favorable for weight savings.

Um Kerbwirkungen zu vermeiden, ist am Übergang zwischen dem Schaftwandabschnitt und zumindest einer Bodenabdeckung bevorzugt eine Verrundung vorgesehen.In order to avoid notch effects, a rounding is preferably provided at the transition between the shaft wall section and at least one base cover.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Seitenansicht;
2 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Unteransicht; und
3 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer perspektivischen Unteransicht mit eingezeichneter Helix.

A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

1 a piston according to the invention in a side view;
2 a piston according to the invention in a bottom view; and
3 a piston according to the invention in a perspective view from below with a drawn helix.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der ErfindungDetailed description of a preferred embodiment of the invention

Wie in 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben an seiner gemäß 1 Oberseite einen Kolbenboden 12, ein Ringfeld 14 mit einer untersten Ringnut 16 und Schaftwandabschnitte 18 auf, von denen in 1 nur eine vollständig zu erkennen ist. Die Schaftwandabschnitte 18 weisen eine in Umfangsrichtung gemessene, in etwa gleichbleibende Breite auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Breite im Verlauf entlang der (in 1 vertikalen) Kolbenhubachse in etwa gleichbleibend, mit einer geringfügigen Verbreiterung zur Unterseite, d.h. vom Kolbenboden 12 entfernt, hin.As in 1 can be seen, the piston according to the invention has at its 1 Top a piston crown 12 , a ring field 14th with a bottom ring groove 16 and shaft wall sections 18th on, of which in 1 only one can be fully recognized. The shaft wall sections 18th have an approximately constant width measured in the circumferential direction. In the embodiment shown, the width in the course along the (in 1 vertical) piston stroke axis roughly constant, with a slight widening towards the bottom, ie from the piston crown 12 away, there.

Erfindungsgemäß schließen sich in Umfangsrichtung zu beiden Seiten des gezeigten druckseitigen Schaftwandabschnitts 18 sogenannte Bodenabstützungen 20 an, die in dem gezeigten Fall spiegelsymmetrisch gestaltet sind. In 1 ist die an der Unterseite der Bodenabstützung 20 vorliegende Kontur als Schräge zu erkennen, aus 3 geht jedoch hervor, dass diese Kontur einer Helix folgt. Eine ausführliche Beschreibung erfolgt im Zusammenhang mit 3. Unter Bezugnahme auf 1 sei noch erwähnt, dass der Übergang von dem Schaftwandabschnitt 18 zu der jeweiligen Bodenabstützung 20 in Form einer Verrundung 22 ausgeführt ist.According to the invention, the shown shaft wall section on the pressure side closes in the circumferential direction on both sides 18th so-called floor supports 20th which are designed mirror-symmetrically in the case shown. In 1 is the one at the bottom of the floor support 20th to recognize the present contour as a slope 3 however, it can be seen that this contour follows a helix. A detailed description is given in connection with 3 . With reference to 1 it should also be mentioned that the transition from the shaft wall section 18th to the respective floor support 20th in the form of a fillet 22nd is executed.

Aus 2 geht ergänzend die in radialer Richtung gemessene Tiefe T der Bodenabstützung 20 hervor. Ergänzend ist zu erkennen, dass die jeweilige Bodenabstützung 20 von der die die Schaftwandabschnitte verbindenden Verbindungswand 24 beabstandet ist, wenngleich die Verbindungswände 24 in Richtung der Kolbenbolzenachse ein wenig divergierend verlaufen. Hierdurch verbleiben dazwischen die für die Gewichtseinsparung vorteilhaften Taschen 26.Out 2 The depth T of the soil support measured in the radial direction is also used 20th emerged. It can also be seen that the respective floor support 20th of the connecting wall connecting the shaft wall sections 24 is spaced, although the connecting walls 24 run a little divergent in the direction of the piston pin axis. As a result, the pockets which are advantageous for saving weight remain in between 26th .

In 3 ist nunmehr im Einzelnen dargestellt, wie sich die Kontur einer Bodenabstützung 20 ergibt. Es sei darauf hingewiesen, dass dies gleichermaßen für die Bodenabstützung auf der anderen Seite, mit entgegengesetzter Helizität gilt. Die in 3 dargestellte Helizität kann als positiv beschrieben werden. Mit anderen Worten, wenn gedanklich die x-Achse auf die y-Achse geklappt wird, bewegt sich die Helix in Richtung der z-Achse.In 3 is now shown in detail how the contour of a floor support 20th results. It should be noted that this also applies to the ground support on the other side, with opposite helicity. In the 3 The helicity shown can be described as positive. In other words, when the x-axis is mentally folded onto the y-axis, the helix moves in the direction of the z-axis.

In 3 ist ferner zu erkennen, dass die Bodenabstützung im Bereich der Verrundung 22 zu dem Schaftwandabschnitt 18 beginnt(Pfeil B) und in etwa im Bereich der Bolzennabenbegrenzung 28 (Pfeil A) endet. In dem gezeigten Fall beträgt die Steigung etwa 1:2, und die Tiefe T (vgl. 2) ist mit etwa 6 mm ca. doppelt so tief wie die der untersten Ringnut 16.In 3 it can also be seen that the floor support is in the area of the rounding 22nd to the shaft wall portion 18th begins (arrow B) and approximately in the area of the pin hub limit 28 (Arrow A) ends. In the case shown, the slope is about 1: 2, and the depth T (cf. 2 ) is about 6 mm, about twice as deep as that of the lowest ring groove 16 .

Es sei noch erwähnt, dass die radiale Außenseite zumindest einer Bodenabstützung auf der gleichen Zylindermantelfläche liegen kann, wie der Schaftwandabschnitt. Nachdem die Bodenabstützung jedoch nicht für die radiale Abstützung an einer Zylinder(buchsen)-Wand erforderlich ist, kann die Bodenabstützung in radialer Richtung gegenüber dem Schaftwandabschnitt zurückgesetzt sein.It should also be mentioned that the radial outside of at least one floor support can lie on the same cylinder jacket surface as the shaft wall section. However, since the base support is not required for the radial support on a cylinder (socket) wall, the base support can be set back in the radial direction with respect to the shaft wall section.

Claims

Piston (10) for an internal combustion engine with skirt wall sections (18) for support in a cylinder or a cylinder liner, and at least one bottom support (20) adjoining it in the circumferential direction, which has at least one contour that forms a section of a helix.

Piston (10) Claim 1 , characterized in that a bottom support (20) is provided at least on the pressure side of the piston (10).

Piston (10) Claim 1 or 2 , characterized in that a floor support (20) is provided on both sides of at least one shaft wall section (18).

Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one base support extends into the area of a pin hub limitation (28).

Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the helix has a pitch of 1:10 to 1: 1 and in particular 1: 2.

Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the depth (T) measured in the radial direction of at least one bottom support (20) is at least the same as the depth measured in the radial direction of a lowermost annular groove (16) and / or at most twice as big.

Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one base support (20) is spaced apart from a connecting wall (24) connecting the skirt wall sections (18).

Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a transition between a skirt wall section (18) and at least one bottom support (20) is provided with a rounding (22).